宇宙中的反物质都去哪儿了?

文·冷

2016年08月26日07:33  来源:中国科技网
 
原标题:宇宙中的反物质都去哪儿了?

  云室里的电子和反电子径迹

  大爆炸之后的138亿年,宇宙仍然充满各种天体,所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在,那么反物质都去哪里了?

  在近日于美国芝加哥举办的第38届高能物理国际会议上,日本科学家对于为什么现在的宇宙间充满了正物质而非反物质,给出了一个解释:中微子这种亚原子粒子在物质形态和反物质形态的表现不同。不过,他们也表示,还需要收集更多数据才能对此解释进行确认。

  为什么宇宙中有物质?这是物理学中最大的谜团之一。恒星、行星、星系和星系团都是由物质构成的,植物和动物也是由物质构成的。本来这是极为自然的事情,但是另一种奇怪的东西出现后,我们就陷入了理解的困境,这种东西就是反物质。

  根据我们对宇宙起源和反物质的了解,物质和反物质都应该是不存在的。因为,反物质具有一个非常重要的特点:当它和物质结合时,会相互湮灭抵消,并产生巨大能量(光子)。另一方面,物理定律表明,宇宙大爆炸产生的巨大能量应该创造了等量的物质和反物质。而问题就出现在这里——按理说,等量的物质和反物质相遇,就会“同归于尽”。可是大爆炸之后的138亿年,宇宙仍然充满各种天体,所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在,那么反物质都去哪里了?

  反物质是如何被发现的?

  我们先从反物质的物理渊源说起。故事开始于1928年左右。当时,物理学正处于重大改变期。爱因斯坦提出了相对论,阐述了引力的本质,以及当物体以接近光速运动时会发生什么情况。而另一群物理学家正在发展量子力学,来描述粒子的行为。与此同时,英国物理学家保罗·狄拉克试图将这两者联系起来。

  狄拉克提出了一个描述电子运动的数学方程式,即狄拉克方程。这是一个既具有量子力学特征,又满足狭义相对论要求的方程。在方程中,和电子共同存在的还有另一种粒子。它并不是传统带负电荷的电子,而是奇怪的带着正电荷的电子——也就是电子的反粒子。

  1931年,狄拉克预言了电子的反粒子即“反电子”的存在,他还进一步提出质子及其他粒子也应该有相应的反粒子。如果所有粒子都有反粒子,那么就有可能存在完全由反粒子组成的物质,这种物质就是反物质。这是人类第一次意识到可能存在反物质。

  其实早在狄拉克提出反粒子概念之前,反粒子就已经在实验室里留下了踪迹,但被实验物理学家忽略了。那时实验室内探测带电粒子径迹的主要工具是“云室”,云室中高能粒子经过的路径上会出现一条白色的雾,也就是粒子运动的径迹。

  在云室内施加磁场后,带电粒子会发生偏转,产生弯曲的径迹。一些科学家注意到,磁场中有一半电子向一个方向偏转,另一半向相反方向偏转。然而长期以来,人们一直认为电子只有一种,因此他们未曾想到那些反常的径迹是反粒子造成的。

  在狄拉克预言“反电子”之后,美国物理学家卡尔·安德森怀疑云室中另一半的电子就是“反电子”,于是他开始做实验来证明。1932年8月,他收集到了足够的数据,正式确认“反电子”的存在,并将它们命名为“正电子”。

  至此之后,反物质成为了物理学以及科幻小说的一部分。

  如何找到宇宙中的反物质?

  根据狄拉克方程,反物质会和普通物质遵守一样的自然规律。在这种情况下,宇宙中的物质与反物质的含量必须相等,所以有可能存在“反物质星球”和“反物质星系”,但是我们如何找到宇宙中的反物质呢?

  为了寻找反物质,天文学家将目标放在每时每刻轰击地球大气层的宇宙射线上。果不其然,1936年,科学家在宇宙射线中看到了正电子的身影。

  2008年,科学家在银河系中发现了一朵庞大但稀薄的反物质云。它围绕在银河系中心附近,并发出伽马射线。欧洲航天局的射线卫星观测表明,这朵云并不在银河系的正中间,似乎是尾随着某颗散发X射线的恒星。这里的反物质可能不是宇宙诞生时遗留下来的,它们更有可能起源于恒星。这颗恒星周围有一个黑洞,当恒星周围的气体脱离恒星,就会被黑洞“吃掉”,这个高能的过程将产生反物质。

  不过,能释放反物质的不只有恒星。平均而言,每一小时左右,香蕉会吐出一个正电子。这是因为香蕉中含有天然放射性同位素钾-40。当它衰变时偶尔会释放出一个正电子,而当正电子遇上第一个电子时,也会湮灭释放能量,不过所释放的能量是微不足道的。而事实上,我们的身体里也有钾-40,也会发生这一过程。但它们不能完全代表原始反物质,我们需要寻找的是更重的原始反物质粒子,比如反氦核。

  可是自然界中没有足够的力量来产生一个反氦核,只有宇宙大爆炸才能做到。所以,如果我们发现像反氦核这样的粒子,那么接下来可能会找到更多的原始反物质,甚至是拥有很多反物质的宇宙区域。如果检测到反碳核,那么意义就更加重大了。碳只能在恒星的“核熔炉”里形成,反碳核的现身,意味着太空中的某处存在“反物质星球”,这将是天文学一次伟大的突破。

  反物质和物质是对称存在的吗?

  2011年,阿尔法磁谱仪探测器被送到国际空间站,它是专门用来测量宇宙射线中反物质的数量和类型的。至2013年,阿尔法磁谱仪已经看到过40万个正电子,但没有发现其他种类的反物质。到目前为止,仍没有证据表明原始反物质潜伏在太空某处。

  所以只剩下一种可能:反物质和物质虽然是对称的,但“性格”却不一样。

  几十年来,粒子物理实验已经多次看到粒子与反粒子有不同的行为反应。这要从所谓的“弱核力”说起,弱核力是自然界的四大基本力之一,亚原子放射性衰变就是由它引起的。弱核力,加上引力、电磁力,它们共同控制着规模巨大的宇宙。剩下的一种是强核力。强核力的作用范围很小,大约只有原子核般的大小。

  1964年物理学家在研究K介子衰变时,发现K介子能自然衰变成反K介子,反K介子也可以衰变为K介子,但是这两个过程发生的频率却不一样。因此,一些科学家推测,宇宙在弱核力的作用下,也可能发生类似的情况——由于宇宙大爆炸时存在某些过程,更有利于物质的产生,或者说物质的产生频率更快。导致反物质的量不足,物质的量过剩,而剩余的物质组成了今天的宇宙。科学家给出的估计是每形成10亿个反物质,可能就会产生十亿零一个物质。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中进行的实验加强了这个猜测,在面对弱核力时,物质和反物质确实有不一样的反应。

  科学家参考了对撞机的数据,估测宇宙早期可以产生多少反物质,可惜答案并不是科学家们所期望看到的。之前给出的估计是每形成10亿个反物质的同时就产生十亿零一个物质,这意味着宇宙刚诞生时差不多有一半仍旧是反物质。然而,根据实验结果,宇宙刚诞生时的反物质质量只相当于一个普通的星系。显然,这和科学家估计的情况有非常大的差异,说明反物质的研究任务还很艰巨。

  宇宙到底有没有另一半?有的话,它会在哪里?反物质和物质为什么会有不同的行为?宇宙诞生之初究竟发生了什么?这些问题仍尚待解决。可见浩瀚宇宙对于人类来说,依旧深不可测。

(责编:熊旭、林露)

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